用于超薄扇出堆疊型封裝的激光剝離
發(fā)布時間：2018-04-16
據(jù)麥姆斯咨詢報道，扇出型封裝（fan－out packaging）是應用于眾多移動應用的成熟技術。早期的半導體封裝一直是單芯片封裝，為支持功能增加導致布線密度越來越大的發(fā)展趨勢，要求更復雜的封裝、堆疊封裝（stacked packages）、系統(tǒng)級封裝（systems inpackage），同時還要滿足高性能。隨著技術的發(fā)展，扇出型封裝正在縮小成本與高性能之間的矛盾。無論是為滿足更小尺寸的需求使晶圓變薄，實現(xiàn)焊料成本的節(jié)約，還是作為重新布線層（redistribution－layer，RDL）首步工藝的工藝平臺，所有封裝均需要臨時鍵合（temporary bonding）。
臨時鍵合需要鍵合（bonding）和剝離（debonding）兩種工藝。從扇出型晶圓級封裝（fan－out wafer－level packaging，F(xiàn)oWLP）到功率器件，每種應用在工藝溫度、機械應力和熱預算等方面都有獨特的要求，因此確定合適的剝離技術比較困難。這里只是枚舉了幾個例子，實際情況更為復雜。我們將在本文中重點討論激光剝離（laser debonding）：如抗高溫更兼容的材料可應用于哪些情況，激光剝離的特性適于哪些應用等。
為了控制剝離帶來的熱輸入，紫外激光（UV lasers）常被用于剝離不同材料供應商提供的不同臨時鍵合材料。為了確保最低的維護工作量，二極管泵浦固體激光器（diode－pumped solid－state，DPSS）可將高度工藝控制的光束整形光學（beam－shaping optics）與最低熱輸入相結(jié)合，不失為是一項正確的選擇。
圖1 Chipfirst扇出型晶圓級封裝制造工藝流程示意圖
圖2 Chiplast扇出型晶圓級封裝（又稱RDL first）制造工藝流程示意圖
扇出型晶圓級封裝（FoWLP）中臨時鍵合面臨的挑戰(zhàn)
FoWLP能在行業(yè)內(nèi)收獲巨大利益，一定程度上取決于其采用了載板（carrier），臨時鍵合材料對化學和熱兼容性的要求很高。某些聚酰亞胺符合這種嚴苛的環(huán)境，也適用于激光剝離。
盡管鍵合和剝離都是FoWLP的工藝，但兩者的需求差異很大。通過觀察各種應用中不同的半導體工藝，顯然沒有任何一種剝離工藝解決方案可與所有的半導體工藝兼容，多個解決方案是必然選擇。這就是開發(fā)出的各種各樣的剝離工藝（剝離技術是臨時鍵合的特征）至今仍都在使用的原因。
主流剝離技術的比較
最常見的方法有：熱滑動剝離（thermal slide－off debonding）、機械剝離（mechanical debonding）和紫外激光剝離（UV laser debonding）。這三種方法均適用于大批量生產(chǎn)，在工藝兼容性方面差異巨大。
熱滑動剝離（thermal slide－off debonding）是一種利用熱塑材料作為器件與載板晶圓（carrier wafer）之間粘合夾層（adhesive interlayer）的方法。該方法利用了熱塑材料的可逆熱特性，意味著在較高的溫度下，該材料的粘度會下降，從而能通過簡單地滑動兩邊的晶圓來完成剝離。熱剝離的特點是根據(jù)熱塑材料的溫度特性，使用范圍在130°C到350°C之間，因此在較高的溫度下就可完成鍵合與剝離。溫度穩(wěn)定性在很大程度上取決于機械應力，我們可以觀察到這是由于熱塑材料在高溫下具有低粘度。
機械剝離（mechanical debonding）是一種高度依賴晶圓表面特性、臨時鍵合材料的粘附力和內(nèi)聚力的方法。對于大多數(shù)材料系統(tǒng)，均可使用機械釋放層（mechanical release layer）來實現(xiàn)可控剝離。機械剝離的主要特點是：可在室溫下處理，且強烈依賴機械應力。由于機械剝離需要在臨時鍵合材料與晶圓間產(chǎn)生低粘附力才能成功剝離；因此，在FoWLP應用中使用這種方法是有些困難的。這是因為FoWLP工藝中產(chǎn)生的較高應力會導致自發(fā)性的剝離，甚至在減薄工藝中也會出現(xiàn)，這就會導致良率的急劇下滑。
激光剝離（laser debonding）是一種通過幾種不同的變量來實現(xiàn)剝離的技術。該方法的剝離機制依賴于：激光種類、臨時鍵合膠，以及用于該工藝的特定釋放層。紅外激光剝離依靠熱過程進行工作：將光吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，從而在鍵合界面內(nèi)產(chǎn)生高溫。紫外激光剝離則通常依靠化學過程進行工作：使用光吸收的能量來破壞化學鍵。破壞聚合物的化學鍵會導致原始聚合物進行分解。分解物包括氣體，就會增加鍵合界面的壓力，因而幫助剝離。由于在剝離工藝前，臨時鍵合膠對晶圓具有很高的粘附力，因此這種方法非常適用于FoWLP應用中。
扇出型晶圓級封裝（FoWLP）應用的優(yōu)化解決方案
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，由于剝離過程中的熱輸入是有限的，因此紫外激光在FoWLP中更具優(yōu)勢。載板晶圓必須能通過紫外激光的穿透，以確保激光能量的有效利用，延長載板晶圓的壽命。目前有兩種主要類型的紫外激光（全固態(tài)激光和準分子激光），每種激光均可選多種波長。波長大于300nm的激光是最理想的選擇，出于以下兩個原因的考量：首先，市場可選用的激光剝離材料的波段可有效吸收和剝離高于300nm波長的激光；其次，因為玻璃能夠在該波段范圍內(nèi)實現(xiàn)高傳輸，即該波段激光允許采用標準玻璃晶圓作為載板。
由于全固態(tài)激光無需定期更換鹵素氣體，因此維護成本較低。而且功耗非常低，以每周工作7天、每天工作24小時的功耗來計算，全固態(tài)激光可運行5年。此外，由于光學設置緊湊，對實現(xiàn)更小尺寸的引腳有利。圖3為全固態(tài)激光常見的高斯光束。
圖3 通常全固態(tài)激光要求高脈沖重疊。重疊區(qū)域表示激光剝離中所使用的輻射照射（radiant exposure），而紅色區(qū)域則表示不能用于剝離的能量
紫外激光剝離對輻射能量有閾值要求，這意味著在輻射照射特定值以上發(fā)生剝離。在圖3中，重疊區(qū)表示輻射照射適于剝離。低于或高于該值的能量（圖中紅色區(qū)域）均不能剝離，通常就轉(zhuǎn)化為熱能，這就會導致碳化和產(chǎn)生粒子。由于在高斯分布邊緣的激光束缺少足夠的能量，所以必須有一定的脈沖重疊，這時額外的變量優(yōu)化是必須的，以便在沒有碳化時成功剝離。此外，光束中心的多余能量會導致碳化。高斯分布的光束不適合限制剝離中的熱效應。
通過使用專用光學裝置進行光束整形，高斯光束可被整形成近top hat光束。通過使用這種光學裝置，可得到用于剝離的重復性好的光束，形貌與圖4中top hat光束相似（在此基礎上，光束的形狀不會隨時間而改變），從而限制熱輸入。與這種激光的高脈沖重復率相結(jié)合，就可實現(xiàn)更嚴格的工藝控制，并且能夠掃描固定晶圓的表面，從而實現(xiàn)剝離工藝的高產(chǎn)出。圖5描繪了掃描過程，與準分子激光相比，晶圓固定在靜止的載臺上，激光點由晶圓上方的掃描振鏡（galvo scanner）控制，整個剝離過程速度較快，可以實現(xiàn)高產(chǎn)出。
圖4 先進的紫外激光解決方案，利用光束整形光學將高重復性掃描與激光能量效率相結(jié)合。在重疊區(qū)域中，用于剝離的輻射照射效率非常高
圖5 EVG激光剝離解決方案，是將全固態(tài)激光與光束整形光學結(jié)合起來，以實現(xiàn)高產(chǎn)出的可控過程
如圖6所示，測試晶圓被用于確定剝離的最佳輻射照射值。即使是top hat光束，為減少熱效應，輻射照射值接近于剝離閾值是非常重要的。盡管如此，較少的重疊部分也是必要的，因為臨時鍵合材料與晶圓間的粘附力非常高。
圖6 用于激光剝離的測試晶圓，不同的軌道代表了不同激光的剝離效果
未來扇出型晶圓級封裝（FoWLP）的臨時鍵合
超薄扇出堆疊型封裝（FoWLP），也被稱為層疊封裝（Package on package，PoP），由于此類封裝能大幅提高器件密度，目前已被納入多種應用的技術路線圖之中。然而，未來PoP對重新建構(gòu)晶圓（reconstituted wafers）要求厚度更薄，這將為臨時鍵合帶來更多挑戰(zhàn)。例如，由注塑（molded）晶圓與載板晶圓堆疊組成的臨時鍵合晶圓的彎曲度（bow）必須最小化，以確保減薄均勻。最大總厚度變化（TTV）的規(guī)范也會根據(jù)最終晶圓的厚度變得更嚴格。對于不同的3D應用，涉及連線的問題，如選擇“via first”還是“via last”，在PoP中也變得多了起來。雖然有多個工藝可選，但沒有哪家扇出型封裝企業(yè)已具備標準的工藝流程。
總結(jié)
由于紫外激光可在室溫下進行剝離，且可以使用化學性質(zhì)穩(wěn)定的材料，因此紫外激光剝離是一種既適用于chip first，也適用于chip last（或RDL－first）扇出型晶圓級封裝（FoWLP）的方法。本文介紹的紫外激光剝離解決方案不僅結(jié)合了全固態(tài)激光的優(yōu)點，具有維護成本低、功耗低的優(yōu)點，由于特殊的光束整形光學，還實現(xiàn)了高脈沖頻率與高空間控制的結(jié)合。
